Folk tar alltid plass for gitt. Tross alt er det bare et tomrom - en beholder for alt annet. Også tiden tikker kontinuerlig. Men fysikere er slike mennesker, de trenger alltid å komplisere noe. De prøvde regelmessig å forene teoriene sine, og fant ut at rom og tid smelter sammen i et system som er så komplisert at en vanlig person ikke kan forstå.
Albert Einstein innså hva som ventet oss tilbake i november 1916. Et år tidligere formulerte han den generelle relativitetsteorien, ifølge hvilken tyngdekraften ikke er en kraft som forplanter seg i rommet, men en egenskap til selve rom-tiden. Når du kaster ballen i luften, flyr den i en bue og kommer tilbake til bakken, fordi Jorden bøyer romtid rundt den, slik at ballens baner og bakken vil krysse igjen. I et brev til en venn diskuterte Einstein problemet med å slå sammen generell relativitet med sitt andre hjernebarn, den fremvoksende teorien om kvantemekanikk. Men hans matteferdigheter var rett og slett ikke nok. “Hvordan jeg torturerte meg selv med dette!” Skrev han.
Einstein nådde aldri noe sted i denne forbindelse. Selv i dag virker ideen om å lage en kvanteteori om tyngdekraften ekstremt fjern. Tvister skjuler en viktig sannhet: konkurransedyktige tilnærminger alle som man sier at rommet blir født et eller annet sted dypere - og denne ideen bryter den vitenskapelige og filosofiske forståelsen av den som har blitt etablert i 2500 år.
Nedover det svarte hullet
En vanlig kjøleskapsmagnet illustrerer perfekt fysikernes problem. Han kan feste et stykke papir og motstå tyngdekraften på hele jorden. Tyngdekraften er svakere enn magnetisme eller annen elektrisk eller kjernekraft. Uansett kvanteeffekter som ligger bak, vil de være svakere. Det eneste håndgripelige beviset for at disse prosessene i det hele tatt foregår, er det brokete bildet av materie i det tidligste universet - som antas å være tegnet av kvantesvingninger i gravitasjonsfeltet.
Svarte hull er den beste måten å teste kvantegravitasjon på. "Dette er det mest hensiktsmessige å eksperimentere med," sier Ted Jacobson fra University of Maryland, College Park. Han og andre teoretikere studerer sorte hull som teoretiske omdreininger. Hva skjer når du tar ligninger som fungerer perfekt i laboratorieinnstillinger og setter dem i de mest ekstreme situasjonene du kan tenke deg? Vil det være noen subtile feil?
Generell teori forutsier relativt at materie som faller i et svart hull vil trekke seg uendelig når det nærmer seg sentrum - en matematisk blindvei kalt en singularitet. Teoretikere kan ikke forestille seg banen til et objekt utover singulariteten; alle linjene konvergerer på den. Selv det å snakke om det som et sted er problematisk, fordi selve romtiden, som bestemmer plasseringen av singulariteten, slutter å eksistere. Forskere håper at kvanteteori kan gi oss et mikroskop som vil tillate oss å undersøke dette uendelige punktet med uendelig tetthet og forstå hva som skjer med saken som faller inn i den.
Kampanjevideo:
Ved kanten av et svart hull er materie ennå ikke så komprimert, tyngdekraften er svakere, og så vidt vi vet, bør alle fysikkens lover fungere. Desto mer nedslående er det faktum at de ikke fungerer. Det svarte hullet er begrenset av begivenhetshorisonten, punktet for ingen retur: materie som krysser begivenhetshorisonten kommer ikke tilbake. Nedstigningen er irreversibel. Dette er et problem fordi alle kjente lover i grunnleggende fysikk, inkludert kvantemekaniske, er reversible. I det minste skal du i teorien være i stand til å reversere bevegelse og gjenopprette partiklene du hadde.
Fysikere møtte et lignende råd på slutten av 1800-tallet da de betraktet matematikken til en "svart kropp", idealisert som et hulrom fylt med elektromagnetisk stråling. Teorien om elektromagnetisme av James Clerk Maxwell forutsa at en slik gjenstand ville absorbere all stråling som faller på den, og aldri komme i likevekt med det omkringliggende stoffet. "Det kan absorbere uendelig mye varme fra et reservoar som holdes på konstant temperatur," forklarer Raphael Sorkin fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario. Fra et termisk synspunkt vil den ha en temperatur på absolutt null. Dette funnet strider mot observasjonene av sanne svarte kropper (for eksempel en ovn). Fortsatt arbeid med Max Plancks teori, viste Einstein at en svart kropp kan oppnå termisk likevekt,hvis strålingsenergien vil komme i diskrete enheter, eller kvanta.
Teoretiske fysikere har prøvd i nesten et halvt århundre å oppnå en lignende løsning for sorte hull. Avdøde Stephen Hawking fra University of Cambridge tok et viktig skritt på midten av 1970-tallet ved å anvende kvanteteori på strålingsfeltet rundt sorte hull og vise at de har temperaturer som ikke er null. Derfor kan de ikke bare absorbere, men også avgi energi. Selv om analysen hans skrudd sorte hull inn i riket av termodynamikk, forverret han også problemet med irreversibilitet. Utgående stråling avgis ved kanten av det svarte hullet og bærer ikke informasjon fra det indre. Dette er tilfeldig varmeenergi. Hvis du snur prosessen og mater denne energien til et svart hull, dukker det ikke opp noe: du får bare enda mer varme. Og det er umulig å forestille seg at det er noe igjen i det sorte hullet, bare fanget, for når det sorte hullet avgir stråling, trekker det seg sammen ogforsvinner til slutt ifølge Hawkings analyse.
Dette problemet kalles informasjonsparadokset, fordi et svart hull ødelegger informasjon om partikler som har kommet inn i det, som du kan prøve å gjenopprette. Hvis fysikken til sorte hull virkelig er irreversibel, må noe føre informasjon tilbake, og konseptet vårt med romtid må kanskje endres for å imøtekomme det faktum.
Atomer av romtid
Varme er tilfeldig bevegelse av mikroskopiske partikler som gassmolekyler. Siden sorte hull kan varme opp og kjøle seg ned, ville det være rimelig å anta at de består av deler - eller, mer generelt, av mikroskopisk struktur. Og siden et svart hull bare er tomt rom (ifølge generell relativitet, materie som faller inn i et svart hull passerer gjennom begivenhetshorisonten uten å stoppe), må deler av et svart hull være deler av rommet selv. Og under den villedende enkelheten til flatt tomt rom, er det enorm kompleksitet.
Selv teorier som burde ha opprettholdt det tradisjonelle synet på romtid, har kommet til den konklusjonen at noe lurer under denne glatte overflaten. For eksempel, på slutten av 1970-tallet, prøvde Steven Weinberg, nå ved University of Texas i Austin, å beskrive tyngdekraften på samme måte som andre naturkrefter beskriver den. Og jeg fant ut at romtid er radikalt modifisert i sin minste skala.
Fysikere visualiserte opprinnelig mikroskopisk rom som en mosaikk av små rombiter. Hvis du øker dem til Planck-skalaen, umåtelig liten i størrelse 10-35 meter, tror forskere at du kan se noe som et sjakkbrett. Eller kanskje ikke. På den ene siden vil et slikt nettverk av linjer med sjakkrom foretrekke noen retninger fremfor andre, og skape asymmetrier som strider mot den spesielle relativitetsteorien. For eksempel vil lys i forskjellige farger bevege seg i forskjellige hastigheter - som i et glassprisme som bryter lys inn i dets sammensatte farger. Og selv om manifestasjoner i små skalaer vil være veldig vanskelige å legge merke til, vil brudd på generell relativitet være helt åpenbart.
Termodynamikken til sorte hull setter spørsmålstegn ved bildet av rommet som en enkel mosaikk. Ved å måle den termiske oppførselen til ethvert system, kan du telle delene, i det minste i prinsippet. Slipp energi og se på termometeret. Hvis kolonnen har tatt av, bør energien fordeles på relativt få molekyler. Faktisk måler du entropien til et system, som representerer dets mikroskopiske kompleksitet.
Hvis du gjør dette med en vanlig substans, øker antall molekyler med volumet av materialet. Så uansett bør det være: Hvis du øker radiusen til en strandball med 10 ganger, vil den passe 1000 ganger flere molekyler inni den. Men hvis du øker radiusen til et svart hull 10 ganger, vil antallet molekyler i det bare multiplisere 100 ganger. Antallet molekyler som den består av, skal ikke være proporsjonal med volumet, men til overflatearealet. Et svart hull kan se ut til å være tredimensjonalt, men det oppfører seg som et todimensjonalt objekt.
Denne merkelige effekten kalles det holografiske prinsippet, fordi det ligner et hologram, som vi ser på som et tredimensjonalt objekt, men ved nærmere undersøkelse viser seg å være et bilde produsert av en todimensjonal film. Hvis det holografiske prinsippet tar hensyn til de mikroskopiske komponentene i rommet og dets innhold - som fysikere innrømmer, men ikke alle - vil det ikke være nok til å skape plass ved å bare koble de minste delene av det.
Tangled web
De siste årene har forskere innsett at kvanteforvikling må være involvert. Denne dype egenskapen til kvantemekanikk, en ekstremt kraftig type tilkobling, virker mye mer primitiv enn rom. Eksperimenter kan for eksempel lage to partikler som flyr i motsatt retning. Hvis de blir viklet inn, vil de forbli tilkoblet uansett avstand som skiller dem.
Tradisjonelt, når folk snakket om "kvante" tyngdekraft, mente de kvante diskrethet, kvantesvingninger og alle andre kvanteeffekter - ikke kvanteforvikling. Alt har endret seg takket være sorte hull. I løpet av et svart hulls liv faller sammenfiltrede partikler inn i det, men når det sorte hullet fordamper helt, forblir partnerne utenfor det sorte hullet viklet inn - uten ingenting. "Hawking burde ha kalt det et sammenfiltringsproblem," sier Ohio State Universitys Samir Mathur.
Selv i et vakuum, der det ikke er partikler, er elektromagnetiske og andre felt internt viklet inn. Hvis du måler feltet på to forskjellige steder, vil avlesningene dine svinge litt, men forbli i koordinering. Hvis du deler området i to deler, vil disse delene være i korrelasjon, og graden av korrelasjon vil avhenge av den geometriske egenskapen de har: grensesnittområdet. I 1995 uttalte Jacobson at sammenfiltring gir en kobling mellom materiens tilstedeværelse og romtidens geometri - noe som betyr at den kunne forklare tyngdeloven. "Mer sammenfiltring betyr mindre tyngdekraft," sa han.
Noen tilnærminger til kvantegravitasjon - spesielt strengteori - ser sammenvikling som en viktig hjørnestein. Strengteori bruker det holografiske prinsippet ikke bare på sorte hull, men på universet som helhet, og gir en oppskrift for å skape plass - eller i det minste noe av det. Det opprinnelige todimensjonale rommet vil tjene som grensen til et større volumetrisk rom. Og vikling vil binde det volumetriske rommet til en enkelt og kontinuerlig helhet.
I 2009 ga Mark Van Raamsdonk fra University of British Columbia en elegant forklaring på denne prosessen. Anta at feltene ved grensen ikke er viklet inn - de danner et par systemer ut av korrelasjon. De tilsvarer to separate universer, mellom hvilke det ikke er noen måte å kommunisere på. Når systemene vikles sammen, dannes det en slags tunnel, et ormehull mellom disse universene, og romskip kan bevege seg mellom dem. Jo høyere grad av sammenfiltring, jo kortere blir ormehullet. Universene smelter sammen til ett og er ikke lenger to separate. "Fremveksten av stor romtid knytter direkte sammenvikling med disse gradene av frihet for feltteori," sier Van Raamsdonck. Når vi ser sammenhenger i elektromagnetiske felt og andre felt, er de resten av kohesjonen som binder rommet sammen.
Mange andre funksjoner i rommet, i tillegg til å være koblet sammen, kan også gjenspeile vikling. Van Raamsdonk og Brian Swingle fra University of Maryland argumenterer for at allestedsnærværende forvikling forklarer tyngdekraftens universalitet - at den påvirker alle gjenstander og gjennomsyrer overalt. For sorte hull mener Leonard Susskind og Juan Maldacena at viklingen mellom det sorte hullet og strålingen det avgir skaper et ormehull - den svarte inngangen til det sorte hullet. Dermed bevares informasjon og fysikken til et svart hull er irreversibel.
Mens disse strengteori-ideene bare fungerer for bestemte geometrier og rekonstruerer bare en dimensjon av rommet, har noen forskere prøvd å forklare rommet fra bunnen av.
I fysikk og generelt i naturvitenskap er rom og tid grunnlaget for alle teorier. Men vi merker aldri direkte romtid. Snarere utleder vi dens eksistens fra vår hverdagsopplevelse. Vi antar at den mest logiske forklaringen på fenomenene vi ser vil være noen mekanisme som fungerer i romtid. Men kvantegravitasjon forteller oss at ikke alle fenomener passer perfekt inn i et slikt bilde av verden. Fysikere må forstå hva som er enda dypere, inn og ut av rommet, baksiden av et glatt speil. Hvis de lykkes, vil vi avslutte revolusjonen som Einstein startet for over hundre år siden.
Ilya Khel
